(57)【要約】【課題】冷却効率を高め、冷熱サイクルの信頼性および耐圧性を向上させる。【解決手段】冷却器１６の冷却水が流通する流路２０に、断面が直径Ｄの真円形状で柱の長さ５ｍｍである円柱構造に成形された冷却フィン１７が、１．２５Ｄ、１．５Ｄ、２Ｄまたは３Ｄのフィンピッチにて碁盤目状に配置され、冷却フィン１７と冷却水との間の熱交換によりＩＧＢＴ１２およびダイオード１３の冷却が行えるようになっている。【選択図】図１
2007324351.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
前記半導体素子が配され、前記半導体素子に電力供給する配線用金属板と、
下記（1）〜（3）のいずれかを満たす柱状構造の熱伝導フィンを有し、前記熱伝導フィンでの熱交換により少なくとも前記半導体素子を冷却する冷却器と、
（1）０．１ｍｍ≦最大径Ｄ≦１．０ｍｍ、かつＤ≦フィンピッチＳ≦１．２５Ｄ
（2）０．２ｍｍ≦最大径Ｄ≦０．５ｍｍ、かつ１．２５Ｄ＜フィンピッチＳ≦１．５Ｄ
（3）０．２ｍｍ≦最大径Ｄ＜０．３ｍｍ、かつ１．５Ｄ＜フィンピッチＳ≦２．０Ｄ
前記配線用金属板と前記冷却器との間に配され、前記半導体素子及び前記冷却器を電気的に絶縁する絶縁部材と、
を備え、前記半導体素子が前記配線用金属板の上に圧接により実装された圧接型半導体モジュール。
【請求項２】
前記冷却器は冷媒を流通する中空部を有し、前記熱伝導フィンは、前記中空部に配設されて、前記中空部を流通する前記冷媒と熱交換しかつ前記冷却器の形状を保持することを特徴とする請求項１に記載の圧接型半導体モジュール。
【請求項３】
前記熱伝導フィンは、円柱構造及び／又は角柱構造であることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧接型半導体モジュール。
【請求項４】
前記熱伝導フィンは、柱状構造の柱長方向の長さが０．１〜２０ｍｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧接型半導体モジュール。
【請求項５】
前記絶縁部材が、線膨張係数が３×１０−６／Ｋないし１×１０−５／Ｋであるセラミックスを用いてなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧接型半導体モジュール。
【請求項６】
前記絶縁部材が、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化シリコーン、酸化シリコーン、酸化ベリリウム、及びシリコーンカーバイドから選択される少なくとも一種を用いてなることを特徴とする請求項５に記載の圧接型半導体モジュール。
【請求項７】
前記配線用金属板が、熱伝導率が１７Ｗ／ｍ・Ｋ以上であって比抵抗が１×１０−５Ω・ｃｍ以下である金属を用いてなることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の圧接型半導体モジュール。
【請求項８】
前記配線用金属板が、銅、アルミニウム、タングステン、及びモリブデンから選択される少なくとも一種を用いてなることを特徴とする請求項７に記載の圧接型半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱性のＩＧＢＴ等の半導体素子が外部の加圧装置による圧接により実装された圧接型の半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、外部の加圧装置により圧接してＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体素子が実装された圧接型の半導体装置としては、半導体素子の両側に冷却用部材として導電面を兼ねた伝熱面を備えた半導体装置が知られており、この半導体装置では、伝熱面の一方は平形半導体素子に、他方は平形半導体素子もしくは支持具の一部分である絶縁部材に当接するように積層して組み合わされている（例えば、特許文献１参照）。この積層された冷却用部材はフレオンなどの低沸点有機冷媒中に浸漬され、冷媒の沸騰によって冷却されるようになっている。
【０００３】
近年は、環境問題が重要視されるようになり、環境負荷物質（オゾン層破壊物質）であるフレオンの使用が規制されることとなり、冷媒中に浸漬される圧接型の半導体装置の使用も見直される傾向にある。そのため、圧接型の半導体装置として、冷媒中に浸漬する方式から、ヒートパイプを用いて冷却する方式への転換が図られてきている（例えば、特許文献２参照）。従来の、ヒートパイプを用いて冷却する方式では、ヒートパイプの熱輸送力を利用して廃熱を行なっている。
【０００４】
一方、パワーモジュールをはじめとする半導体装置は、自動車に広く用いられている。半導体装置を車載する場合、半導体装置はエンジンルームに搭載されるのが一般的である。また、その搭載位置は例えば、大出力を有するＴＨＳ（トヨタハイブリッドシステム）等においては、エンジンの横に並んで併設されたインバータケースの内部が一般的である。
【０００５】
しかしながら、将来的にはパワーモジュールの小型化やモーターに近い位置あるいはモーター・ハウジングへの搭載などにより、ワイヤーハーネス等の削減、省スペース化などと共に、低コスト化を図る方向に移行していくことが考えられる。すなわち、エンジンルーム内でも、現行の最も外気を取り入れることができて熱の排出に適した位置であるラジエターに近い位置から、よりモーターに近くむしろラジエターから遠い位置に半導体装置の装着位置が変わってくることが考えられる。このように、半導体装置の装着位置がモーターに近い位置になると、途中にエンジン本体のほか、多数の部品が入り組んで配置されているため、その経路は曲がりくねった構造となる。そのため、曲がりくねった経路を使って車載しようとすると、ヒートパイプを曲げる必要がある。
【特許文献１】特公昭５１−４７５７６号公報
【特許文献２】特公平７−２７９９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ヒートパイプは、自由に曲げることが可能な反面、屈曲回数と共に熱輸送力が低下することが知られている。ヒートパイプの熱輸送力は、内部に封入された作動液および内部のウイック（ヒートパイプの溝または金属繊維で、毛細管現象を利用して作動液の循環を行なう）形状並びに、ヒートパイプの径に依存する。ところが、作動液は、目的とする使用温度に対して適切な系（室温付近では水またはアンモニア、高温ではナフタリン等）が選択されるべきものであり、したがってその目的や環境温度によって決定されるため選択の余地は少なく、ウイック等もまた、現在工業的に充分に検討されたものが採用されており、性能およびコストを勘案すると変更の余地は少ないのが実状である。
【０００７】
したがって、屈曲に伴なう熱輸送力の低下を補うためには、ヒートパイプの径を大きくする以外ないが、省スペース化や低コスト化に逆行することとなり望ましくない。しかも、作動液がウイック内を還流するためには、毛細管圧力（界面張力）のみならず、重力の影響も受けるため、発熱源が冷却部より下にあることが一般的には望ましい。
しかし、上記のように車載する場合のヒートパイプの屈曲は複雑になることを想定すると、特に途中の経路の屈曲部位において必ずしも上下関係を保った構造を確保することはできず、熱輸送力の低下をさらに増長する可能性がある。
【０００８】
上記に対して、水冷方式の構造では、屈曲部位において圧力損失が発生する可能性はあるものの、ポンプ能力を高めることにより、冷却水配管の径を大きくすることなく、圧力損失に相当する分を補償することが可能である。
【０００９】
したがって、水冷の圧接型半導体モジュールに構成した場合には、圧接型構造特有の高信頼性や部品交換性を取り入れることが可能になり、自動車に搭載する場合の省スペース化、低コスト化に対する大幅な改善が期待される。
【００１０】
また、圧接型の半導体モジュールでは、冷却構造が圧接時における圧力に耐える構造であることが重要であり、構造上耐圧性能の向上も求められている。
【００１１】
本発明は、上記に鑑みなされたものであり、冷却効率が高く、冷熱サイクルの信頼性および耐圧性に優れた圧接型半導体モジュールを提供することを目的とし、該目的を達成することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の圧接型半導体モジュールは、半導体素子が配線用金属板の上に圧接により実装されたものであり、半導体素子と、前記半導体素子が配され、前記半導体素子に電力供給する配線用金属板と、下記条件（1）〜（3）のいずれかを満たす柱状構造の熱伝導フィンを有し、前記熱伝導フィンでの熱交換により少なくとも前記半導体素子を冷却する冷却器と、前記配線用金属板と前記冷却器との間に配され、前記半導体素子及び前記冷却器を電気的に絶縁する絶縁部材とを備えている。
《条件》
（1）０．１ｍｍ≦最大径Ｄ≦１．０ｍｍ、かつＤ≦フィンピッチＳ≦１．２５Ｄ
（2）０．２ｍｍ≦最大径Ｄ≦０．５ｍｍ、かつ１．２５Ｄ＜フィンピッチＳ≦１．５Ｄ
（3）０．２ｍｍ≦最大径Ｄ＜０．３ｍｍ、かつ１．５Ｄ＜フィンピッチＳ≦２．０Ｄ
【００１３】
ここで、最大径Ｄは、柱状構造のフィンの柱の長さ方向を垂線とする断面の最大長さ（例えば、断面真円の円柱構造の場合は円形断面の直径、断面楕円の円柱構造の場合は楕円形断面の最大直径、断面正三角形の三角柱もしくは断面正方形の四角柱等の角柱構造の場合は各々最大辺の長さもしくは対角線の長さ）である。また、フィンピッチＳは、柱状構造の各フィンの、柱の長さ方向を垂線とする断面の中心を通る中心線と中心線との間の最短距離である。
【００１４】
本発明の圧接型半導体モジュールにおいては、熱交換のためのフィンとして、前記条件（1）〜（3）に示すフィンの径（例えば、円柱では直径、楕円柱では最大直径）および配置（フィンの配置間隔）を満たす柱状構造の熱伝導フィンを設けることで、フィンを微細にして例えば冷媒を流通する流路、小さい動力で循環可能な循環容易さを確保し、熱伝達が高められるので、フィンでの熱交換効率を高く保持でき、半導体素子の冷却能力が向上すると共に、例えば冷媒の流量が少なく熱交換し難い場合でも、高効率に冷却が行なえ、冷熱サイクルの信頼性が高められる。また、前記条件のフィンの直径および配置（配置間隔）を満たす柱状構造に構成されるので、半導体素子を外部から加圧して圧接する際の外圧による変形を抑え得る耐圧性能をも有する。
また、本発明の圧接型半導体モジュールでは、構成上、部品点数も低減できる。
【００１５】
なお、本発明の圧接型半導体モジュールは、半導体素子が外圧を加えて圧接して実装されたものであるので、電極をはじめとする半導体素子と接するモジュール部材の線膨張と半導体素子の線膨張との差をすべりにより緩和することが可能であり、冷熱サイクルにおける信頼性に優れている。
【００１６】
本発明の圧接型半導体モジュールは、前記冷却器を冷媒が流通する中空部を設けて構成し、この中空部に熱伝導フィンを配設して、中空部を流通する冷媒との間で熱交換すると共に、冷却器の形状を保持可能なように構成することができる。
【００１７】
冷却器の中空部に前記条件のフィンの径および配置を満たす柱状構造の熱伝導フィンが設けられることで、小さい動力でも冷媒の流通、循環を良好に行なえ、半導体素子の冷却を高効率に行なうことができる。また、中空部形状、ひいてはモジュール形状の圧接による圧力変形を防止できる。
【００１８】
熱伝導フィンは、円柱構造及び／又は角柱構造に構成された形態が望ましい。円柱構造には、真円、楕円が含まれ、角柱構造には、三角柱、四角柱、六角柱等の多角柱が含まれる。前記熱伝導フィンを円柱や角柱構造に構成すると、作製が容易であると共に、熱交換効率（すなわち半導体素子の冷却効率）を高く保持しながら、モジュールの外圧に対する耐圧強度を高度に確保することができる。
【００１９】
また、熱伝導フィンは、冷却能力に対するフィン効率の点で、柱の長さ方向（柱長方向）の長さを０．１〜２０ｍｍの範囲（より好ましくは０．３〜１０ｍｍの範囲）とすることが好ましい。特に好ましくは、２Ｄ〜４Ｄである。
【００２０】
本発明の圧接型半導体モジュールを構成する絶縁部材は、熱伝導性が高く線膨張係数の小さい、具体的には、線膨張係数が３×１０−６／Ｋないし１×１０−５／Ｋ、より好ましくは３×１０−６／Ｋないし７×１０−６／Ｋであるセラミックスを用いて構成することができる。このセラミックスを用いると、発熱する半導体素子との間の熱膨張係数を小さくすることができ、伝熱効率の向上と熱変形防止が可能であるので、半導体素子の冷却効率を高めると共に、熱応力による反りの抑制に効果的であり、モジュールの信頼性を向上できる。
【００２１】
前記セラミックスの中でも、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化シリコーン、酸化シリコーン、酸化ベリリウム、及びシリコーンカーバイドから選択される一種もしくは二種以上を用いて構成されることが好ましい。
【００２２】
また、本発明の圧接型半導体モジュールを構成する配線用金属板は、熱伝導率が１７Ｗ／ｍ・Ｋ以上であって比抵抗が１×１０−５Ω・ｃｍ以下である金属を用いて構成されることが好ましい。半導体素子が配設される配線用基板は、半導体素子の発熱で直接的に温度上昇しやすいが、伝熱効率と電気伝導性とを確保できるので、半導体素子の冷却効率を高め、熱応力による反りを抑えると同時に、素子の動作性能を良好に保ち得る点で有効である。
【００２３】
上記のような金属中でも、配線用金属板は、銅、アルミニウム、タングステン、及びモリブデンから選択される少なくとも一種を用いて構成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、冷却効率が高く、冷熱サイクルの信頼性および耐圧性に優れた圧接型半導体モジュールを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面を参照して、本発明の圧接型半導体モジュールの実施形態を説明する。但し、本発明においてはこれら実施形態に制限されるものではない。
【００２６】
本実施形態の圧接型半導体モジュールは、絶縁膜の素子が設けられている側と反対側に所定間隔で円柱構造のフィンを設けると共に、冷却水を流してフィンとの間で熱交換して素子の冷却が可能なように構成されたものである。
【００２７】
本実施形態の半導体モジュールは、図１に示すように、配線用金属板であるＣｕ配線板１１と、このＣｕ配線板１１に圧接して配置された半導体素子であるＩＧＢＴ１２およびダイオード１３と、Ｃｕ配線板１１の半導体素子が配置されていない側に当接された絶縁膜（絶縁部材）であるグリーンシート１４と、グリーンシート１４のＣｕ配線板１１と当接しない側に形成された冷却器１６とを備えている。
【００２８】
Ｃｕ配線板１１は、長さ３０ｍｍ×幅１５ｍｍ×厚み０．３ｍｍの銅板からなり、この銅板の表面にＩＧＢＴ１２およびダイオード１３（半導体素子）が圧接されると共に、外部電源と導通されて、ＩＧＢＴ１２およびダイオード１３に電流を供給し作動させることができるようになっている。
【００２９】
配線用金属板は、電気的に良導性の金属材料から目的等に応じて適宜選択して構成することができ、銅板以外に、例えば、アルミニウム、タングステン、モリブデン、銅およびタングステンまたはモリブデンからなる複合材料などを用いることができる。
【００３０】
好ましくは、熱伝導率が１７Ｗ／ｍ・Ｋ以上の金属材料であり、伝熱効率を確保し、ＩＧＢＴ１２およびダイオード１３の冷却効率を高め、熱応力による反りを回避する点で、銅やアルミニウム、タングステン、及びモリブデンなどが好ましい。また、比抵抗が１×１０−５Ω・ｃｍ以下の金属材料が好ましく、熱伝導率と電気伝導性を確保し、素子の動作性能を良好に保つ点でも、銅、アルミニウム、タングステン、及びモリブデンがより好ましく、特に好ましくは銅、アルミニウムである。
【００３１】
Ｃｕ配線板の板厚としては、特に制限はないが、通常０．１〜０．５ｍｍ程度であり、配線抵抗および熱応力の点で０．２〜０．４ｍｍが好ましい範囲である。なお、Ｃｕ配線板の厚み以外のサイズについては、目的等に応じて適宜選択すればよい。
【００３２】
このＣｕ配線板１１の上には、図１に示すように、ＩＧＢＴ１個とダイオード１個とが設けられており、インバータを形成するために必要な最小単位であるユニットが構成されている。
【００３３】
ＩＧＢＴおよびダイオードは、市販のものを適宜選択して用いることができる。
また、例えばハイブリッド車等に用いる三相インバータの場合には、図４に示すように、このユニット２個を直列したもの（アーム）３組（またはその倍数）を並列に組んで構成されている。
【００３４】
グリーンシート１４は、焼成後において比抵抗が１×１０１２Ω・ｃｍ以上の絶縁性を有する絶縁膜であり、長さ３５ｍｍ×幅２０ｍｍ×厚み０．６ｍｍのサイズに構成されている。このグリーンシートによって、ＩＧＢＴおよびダイオードが配設されたＣｕ配線板１１と冷却器１６とが電気的に絶縁されるようになっている。
【００３５】
グリーンシート１４の厚みは、材質や絶縁性能、強度などを考慮して０．３〜１．０ｍｍの範囲で選択することができる。
【００３６】
グリーンシート１４は、窒化アルミニウムの粉末、ポリビニルブチラール等の有機結合剤、ジブチルフタレート等の可塑剤、およびトルエン等の有機溶剤等を混合して混錬し、得られた泥漿をドクターブレードによって均一な厚さになるように板状に延ばし、焼成後の厚みが０．６３５ｍｍとなる厚みに形成されたシートを作製した後、このシートを裁断し、型を用いてプレス等の型抜きを行なうことによりシート状に成形して作製することができる。
なお、グリーンシートは、乾燥・脱脂・焼成により、１０〜２０％寸法が収縮するため、予め所望の厚さより厚く形成しておくことが望ましい。
【００３７】
本実施形態のグリーンシート１４は、上記のようにして予めシート状に成形したグリーンシートを、まず温度９００℃以下の温度で加熱して乾燥、脱脂を行ない、続いて１６００〜１９００℃の温度領域で５時間焼成を行なうことによって作製されたものである。その後は、表面を酸素雰囲気下、１２００℃以下の温度で酸化し、酸化アルミニウムの被膜が形成される。
【００３８】
グリーンシート（絶縁部材）には、上記の窒化アルミニウム以外に、熱伝導性が高く線膨張係数の小さいセラミックス材の中から選択して好適に用いることができる。前記セラミックス材としては、窒化アルミニウムのほか、例えば、酸化アルミニウム、窒化シリコーン、酸化シリコーン、酸化ベリリウム、シリコーンカーバイドなどが挙げられ、目的等に応じて一種もしくは二種以上を選択して用いることができる。
【００３９】
グリーンシート１４のＣｕ配線板１１と当接しない素子非形成面側には、図１に示すようにグリーンシート１４と後記の冷却フィン１７との間に介在するようにして、グリーンシートおよび冷却フィンを良好に接合し、あるいは線膨張係数のバランス（Ｃｕ配線板の対称面として）をとるための補正金属板１５が設けられている。
【００４０】
この補正金属板１５は、長さ３５ｍｍ×幅２０ｍｍ×厚み０．３ｍｍの銅板からなるものである。また、補正金属板は、銅板以外に、配線用金属板（ここではＣｕ配線板）と同一または線膨張係数の近い金属板を用いて形成することが可能である。
【００４１】
冷却器１６は、補正金属板１５のグリーンシート１４と接しない側に、熱交換によりＩＧＢＴおよびダイオードを冷却するための冷却水が流通する流路２０と、この流路２０内に補正金属板１５の表面と直角（９０°）をなして碁盤目状に配設された複数本の冷却フィン１７とを設けて構成したものである。ランダムに配設するようにしてもよい。
【００４２】
冷却フィン１７の補正金属板の表面に対する配設角度については、必ずしも９０°である必要はなく、フィン形状や流量その他目的等に応じて選択すればよいが、圧接時の圧力（応力）に耐え得る耐圧性を得る観点からは、補正金属板等の冷却フィンの接合面と冷却フィンの柱の長さ方向とのなす角度が９０°±２°の範囲であることが好ましい。
【００４３】
流路２０は、補正金属板１５にその外周に沿うようにして、厚み５ｍｍの銅板を用いて長さ３５ｍｍ×幅２０ｍｍの４面からなる無端の矩形形状に形成された枠１８を、厚み分の面で接合し、さらにこの接合面側と反対側の面に、厚さ１．０ｍｍの銅板１９を、パッキンを介して配置、固定することにより形成されたものである。
流路を形成する枠は、耐熱性の樹脂材料を用いて所定のサイズに成形して形成するようにしてもよい。耐熱性の樹脂材料には、例えば、ポリフェニレンサルファイドなどの熱可塑性樹脂を用いることができる。
【００４４】
図１に示すように、この枠１８の互いに対向する２面には、それぞれテーパねじ継ぎ手が装着されており、冷却水を内部に供給するための流入口２１と、熱交換して暖まった冷却水を外部に排出するための流出口２２とが形成されており、流入口２１から供給された冷却水が路内を流れて流出口２２から外部に排出されることで、冷却水と熱交換してＩＧＢＴおよびダイオードの冷却が行なえるようになっている。
【００４５】
冷却フィン１７は、断面円形の銅線を長さ５ｍｍに揃えて切断することにより、図２−（ａ）に示すように、断面が直径Ｄ（ｍｍ；本実施形態では０．１ｍｍ、０．２ｍｍ，０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、５ｍｍ）の８種を作製した；下記表１参照）の真円形状で柱の長さＬが５ｍｍである円柱構造に成形されたものであり、補正金属板１５の表面に、図３に示すように碁盤目状に、フィンピッチＳが直径Ｄのｎ倍（ｎＤ；本実施形態では１．２５倍（1.25D）、１．５倍（1.5D）、２倍（2D）、３倍（3D）の４種を作製した；下記表１参照）となるピッチ（Ｓｎ）で配置されている。
【００４６】
冷却フィンの直径Ｄについては、０．１〜１．０ｍｍの範囲が好適であり、前記条件（1）〜（3）のいずれかを満たすように選択することができる。好ましくは、０．２〜０．５ｍｍの範囲である。
また、冷却フィンの柱の長さ（柱長）は、０．１〜２０ｍｍが好ましく、０．２〜１０ｍｍ（更には０．３〜１０ｍｍ）がより好ましい。特に好ましくは、２Ｄ〜４Ｄである。
また、フィンピッチＳは、１．５Ｄ以下が好ましく、１．２５Ｄ以下がより好ましい。フィンピッチＳの下限値はＤである。
上記の条件（1）〜（3）の中でも、条件（1）または条件（2）、あるいは条件（1）を満たすことが好ましい。
【００４７】
この冷却フィン１７は、各冷却フィンの切断面（及び／又は補正金属板１５及び／又は銅板１９）にロウ材（例えば、銀ロウなど）等を塗布等して付与し、冷却フィンのロウ材等が付与された切断面を補正金属板１５、銅板１９と当接して、不活性雰囲気下、温度７００℃以上の炉内でロウ付けにより接合することによって形成することができる。
【００４８】
冷却フィンは、本実施形態のように断面真円の円柱構造に構成するほか、断面形状が、（i）楕円形や、（ii）正三角形（図２−（ｃ）参照）、二等辺三角形、直角三角形などの三角形状、正方形（図２−（ｂ）参照）、長方形、台形などの四角形、その他六角形、八角形など任意の多角形状から適宜選択して形成することができる。
また、冷却フィンは、同一形状のみで構成されてもよいし、複数の形状及び／又は径（断面円形のときは直径、断面が楕円形、多角形のときは最大長さ）のものを混在させて構成されてもよい。
【００４９】
冷却器１６の流路２０に流通する冷却水（冷媒）の流通速度については、特に制限はなく、通常は０．１〜１０Ｌ／ｍｉｎが好ましい。前記条件（1）〜（3）を満たす場合には、前記範囲内であれば良好な冷却効率が得られる。
【００５０】
本実施形態の圧接型半導体モジュールは、以下のようにして作製することができる。
補正金属板１５として用意した銅板（長さ３５ｍｍ×幅２０ｍｍ×厚み０．３ｍｍ）の表面に上記のように作製されたグリーンシート（絶縁板）１４を、更にこのグリーンシート１４の上にＣｕ配線板１１を重ねて平坦に置き、補正金属板側とＣｕ配線板側とからタングステン製の枠で挟み、１０６０〜１０７０℃の銅−銅酸化物の共晶点において直接接合を行ない、積層基板を作製する。
【００５１】
ここで、積層基板のＣｕ配線板１１に対して、フォトリソグラフィー法によりマスクを形成し、Ｃｕ配線板の表面のみが塩化第２鉄を主成分とするエッチング溶液に浸漬されるように配置してエッチングを行なうことにより、Ｃｕ配線板１１に配線パターン（回路）を形成する。なお、エッチングの際には、補正金属板１５のフィンが形成される側がエッチング液に浸漬されないように位置調整を行なうようにすることが重要である。
【００５２】
次いで、円柱構造のフィンとして、直径が異なる８種（０．１ｍｍ、０．２ｍｍ，０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、５ｍｍ）の銅線を用意し、それぞれを長さ５ｍｍに揃えて切断する。このとき、切断した銅線の切断面を研磨して平滑な面とすることが、補正金属板等との接合に対して有効である。
【００５３】
次いで、厚さ５ｍｍの銅板を用意し、この銅板をワイヤーカットで切り取って冷却器１６の側壁を構成する枠１８を作製する。そして、枠の側面に、冷却水の出入口となるテーパねじ継ぎ手を接続するための２箇所（３箇所以上でもよい）の貫通孔を、旋盤を用いて開ける。
【００５４】
次に、カーボン治具（配列される冷却フィンの配列（碁盤目状の配列位置；図３参照）に対応した複数の円形穴を空けてある）に、切断した各銅線を直径ごとに分けて挿入する。また、カーボン治具の外側には、銅板で作製した枠１８を配置する。続いて、各銅線の切断面および枠の厚み分の面にロウ材ａ〔例えば銀ロウ（銀に銅などの金属を添加した接合材）〕を塗布し、この塗布面に上記の積層基板を補正金属板１５の表面で接するようにして重ね、これを不活性雰囲気の炉に設置する。そして、７００℃以上の温度で加熱してロウ付けを行ない接合する。カーボン治具を外した後、各銅線（冷却フィン）および枠の積層基板と接合された接合面と反対側の切断面、厚み分の面に更に、上記で用いたロウ材ａと組成が異なりロウ材ａより融点の低いロウ材ｂ（銀ロウの場合、組成の違いにより、その固相線（融点）が６００〜８００℃の範囲内に散在している）を塗布し、この塗布面に、蓋となる厚さ１．０ｍｍの銅板１９を重ねて置く。この状態で再び不活性雰囲気の炉内に配置し、６００〜７００℃の温度で加熱してロウ付けを行ない接合する。
【００５５】
その後、図１−（ａ）に示すように、枠１８に設けられた２ヶ所の貫通孔に、テーパねじ継ぎ手を装着することにより、冷却水の流入口２１と流出口２２とを形成する。
【００５６】
さらに、上記のようにしてグリーンシート１４上に設けられたＣｕ配線板１１の配線パターン（回路）が形成されている側に、ＩＧＢＴ（自動車用として、５ｍｍ角〜約１ｃｍ角のものが多い）１２およびダイオード１３を載置し、ＩＧＢＴ等の位置ズレが生じないようにするため、樹脂等でできた枠でＩＧＢＴ等の周囲を取り囲む。この状態のまま、ＩＧＢＴ１２およびダイオード１３を、ＩＧＢＴ１２のコレクター電極とダイオード１３のカソード電極とを介して高い熱伝導性を有する２枚の放熱板（ＣｕＭｏ板）で挟んで１０ＭＰａにて加圧することによってＣｕ配線板１１に圧接する。このとき、半導体素子をボルトとナットを用いて押圧するように固定することができる。なお、通常は半導体素子の下側の面が、ＩＧＢＴではコレクター電極、ダイオードではカソード電極となることが多い。圧接時の圧力としては、１〜１００ＭＰａの範囲内が一般的である。
そして、ＩＧＢＴ１２のエミッタ電極およびゲート電極並びにダイオード１３のアノード電極とＣｕ配線板１１のパッドに、直径１００〜３００μｍのアルミニウム製の細線を用いてワイヤーボンドを施し、外部電力および制御回路との電気的な接続を行なう。
【００５７】
以上のようにして、本実施形態では下記表１に示すように、８種（直径Ｄ＝０．１ｍｍ、０．２ｍｍ，０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、５ｍｍ）の冷却フィンを、４種（フィンピッチＳ＝１．２５Ｄ、１．５Ｄ、２Ｄ、３Ｄ）のピッチ（Ｓｎ）にて碁盤目状に配列してなる圧接型半導体モジュールを作製した。
【００５８】
次に、本実施形態の各圧接型半導体モジュールの性能について述べる。
（1）熱抵抗の測定
本発明の半導体モジュールを構成する冷却器１６に設けられた流入口２１および流出口２２と冷却水・温水循環装置の循環ノズルとをホースにより連通して、温度６５℃（以下、水温を「Ｔｗ」と略記する）の温水を一定の流量で循環させる。この冷却水・温水循環装置は、例えば自動車に搭載されているラジエターとポンプの役割を担うものである。
【００５９】
次に、ゲート電極とエミッタ電極との間に電圧（以下、「Ｖｇｅ」と略記する）を印加する。このとき、しきい値（Ｖｇｅ（th）；通常、４Ｖ〜８Ｖ）を越えるＶｇｅが印加されると、ＩＧＢＴはＯＮ状態になる。本実施形態では、Ｖｇｅとして１５Ｖを印加するものとする。
また、コレクター電極とエミッタ電極との間に電圧（以下、「Ｖｃｅ」と略記する）を印加すると、コレクター電極とエミッタ電極との間に電流（以下、「Ｉｃｅ」と略記する）が流れ始める。飽和状態においては、Ｖｃｅが約２Ｖまでは電流が流れにくいが（ＩＧＢＴがＰＮ接合を有しているため）、約１〜２Ｖを超えるとＶｃｅの上昇と共にＩｃｅも増大する。このとき、ＩＧＢＴにおいて、ＶｃｅとＩｃｅとの積で表される電力損失に相当する熱Ｑが発生する。
【００６０】
絶縁型のシース熱電対をエミッタ電極（ＩＧＢＴの上面）に接触させ、ＩＧＢＴの表面温度を測定し、測定された値をＩＧＢＴのジャンクション温度（以下、「Ｔｊ」と略記する）とする。ＩＧＢＴと冷却水との温度差ΔＴは、ΔＴ＝Ｔｊ−Ｔｗである。
【００６１】
以上から、半導体素子から冷却水に至る熱抵抗（以下、「Ｒｔｈ」と略記する）は、Ｒｔｈ＝ΔＴ／Ｑで計算される。
【００６２】
上記に基づいて、冷却水の流量を１２Ｌ／ｍｉｎ（高速流）とし、ＩＧＢＴ１２に電流を流し、Ｒｔｈを測定したところ、本発明の圧接型半導体モジュールでの測定値は０．４Ｋ／Ｗ未満であった。この値は、従来の市販のＩＧＢＴパワーモジュールの熱抵抗（素子とケースの間）が０．４〜０．６Ｋ／Ｗであるのに比較し、水冷式に構成された本実施形態の圧接型半導体モジュールの熱抵抗（Ｒｔｈは、素子とケースに加え冷却器の熱抵抗が加算される）は、極めて小さく良好なことを示す。
【００６３】
また、各圧接型半導体モジュールについて、下記の評価基準にしたがって評価した。評価結果は下記表１に示す。
〈評価基準〉
○：圧接による変形がなく、Ｒｔｈの値が０．４Ｋ／Ｗ未満で低い熱抵抗を示し、流量が低下した場合（０．６Ｌ／ｍｉｎ）においても優れた冷却効果を示した。
△：冷却効果が不充分であるか、或いは、熱抵抗が低く冷却効率は良好なものの、圧接時の圧力によってフィン形状が変形して構造を維持できなかった。
×：圧接時の圧力によってフィン形状が変形して構造を維持できず、Ｒｔｈの値が０．４Ｋ／Ｗ以上であり、冷却効果に劣っていた。
【００６４】
【表１】
2007324351.tif 000003
【００６５】
冷却能力は、冷却フィンの直径Ｄが小さく、フィンピッチＳｎが狭いものほど、高かった。しかし、定量的には熱流体計算によって算出されるフィンと冷却水との間の局所熱伝達から予測されるものとは異なり、冷却フィンの配置間隔にやや強く依存する傾向が見られた。これは、冷却水から半導体素子に至る経路に存在する冷却フィン、補正金属板、および配線用金属板を構成する金属、並びに絶縁板の熱伝導率（熱抵抗）等の影響によるものと考えられる。
前記表１に示すように、本発明における既述の条件（1）〜（3）を満たす冷却フィンを備えた圧接型半導体モジュールでは、冷却効率が良好であると共に、圧接時の加圧による変形をも効果的に防止することができた。
【００６６】
（第２実施形態）
本発明の半導体モジュールの第２実施形態を図１〜図２及び図５を参照して説明する。本実施形態は、図１−（ｃ）に示すように構成された冷却器１６の流路２０に設ける冷却フィンの配設位置を千鳥配列にした構成としたものである。
【００６７】
本実施形態においても、グリーンシート上のＣｕ配線板ごとに半導体素子としてＩＧＢＴ１個とダイオード１個とが設けられ、インバータを形成するために必要な最小単位であるユニットが構成されている。また、第１実施形態と同様の構成要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００６８】
本実施形態の半導体モジュールにおいては、図２−（ａ）に示すように、断面が直径Ｄの真円形状の円柱構造（柱の長さＬ＝５ｍｍ）に成形された冷却フィン１７が、図５に示す千鳥状に配列して配設されている。
各冷却フィンの直径ＤおよびフィンピッチＳｎについては、第１実施形態と同様にした。
【００６９】
本実施形態でも、第１実施形態と同様にして圧接型半導体モジュールを作製し、同様の評価を行なった。その結果、第１実施形態と同様の結果が得られた。具体的には、前記表１に示す通りである。
【００７０】
なお、本実施形態では、冷却フィンを千鳥状に配置し、冷却水の流通が高流速であると第１実施形態の碁盤目状とした場合とほぼ同等の熱抵抗が得られたが、低流速にするときには熱抵抗の点で千鳥状配置の方が有効であった。
【００７１】
（第３実施形態）
本発明の半導体モジュールの第３実施形態を図１〜図２を参照して説明する。本実施形態は、図１−（ｃ）に示すように構成された冷却器１６の流路２０に四角柱構造の冷却フィンを設けて構成したものである。
【００７２】
本実施形態においても、グリーンシート上のＣｕ配線板ごとに半導体素子としてＩＧＢＴ１個とダイオード１個とが設けられ、インバータを形成するために必要な最小単位であるユニットが構成されている。また、第１実施形態と同様の構成要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００７３】
本実施形態の半導体モジュールにおいては、冷却フィンは、断面四角形の一辺の長さに相当する厚みの銅板をその辺の幅に相当する間隔で長さ５ｍｍに揃えて切断することにより、図２−（ｂ）に示すように、断面が対角線Ｄ（最大径［ｍｍ］；本実施形態では０．１ｍｍ、０．２ｍｍ，０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、５ｍｍ）の８種を作製した；前記表１参照）の正方形状で柱の長さＬが５ｍｍである四角柱構造に成形されたものである。
【００７４】
この冷却フィンは、補正金属板１５の表面に、図３に示すように碁盤目状に、フィンピッチが対角線Ｄのｎ倍（ｎＤ；本実施形態では１．２５倍（1.25D）、１．５倍（1.5D）、２倍（2D）、３倍（3D）の４種を作製した；前記表１参照）となるピッチ（Ｓｎ）で配置されている。
【００７５】
本実施形態でも、第１実施形態と同様にして圧接型半導体モジュールを作製し、同様の評価を行なった。その結果、第１実施形態と同様の結果が得られた。具体的には、前記表１に示す通りである。
【００７６】
上記では、冷却フィンの断面形状を真円形状、正方形状とした場合を中心に説明したが、これら以外の既述の他の断面形状に構成した場合も同様の効果を得ることができる。また、圧接時の耐圧性の観点からは、三角形、四角形等の多角形の断面形状に構成されていることが望ましい。
【００７７】
上記した実施形態では、冷却水を冷媒として通過させて冷却を行なう冷却器を用いた構成を中心に説明したが、必ずしも流路を形成せずに、エアなどによって冷却する空冷式に構成されてもよい。
【００７８】
また、冷却器に用いる冷媒には、冷却水以外に、オイルその他ＬＬＣ（ロングライフクーラント（長期間使用可能な冷却液）などの液体を用いることができる。
【００７９】
また、本発明の圧接型半導体モジュールにおいては、上記の各実施形態のように蓋となる銅板１９を、補正金属板１５上にグリーンシート（絶縁板）１４およびＣｕ配線板１１を重ねて接合した積層基板に代え、この積層基板の補正金属板の表面を冷却フィンと接合することによって、冷却フィンを中心として（つまり冷却器を中央に配して）、冷却フィンの両端に積層基板を設けた対称構造とすることも可能であり、信頼性を高め得ると共に、半導体素子を高密度に搭載することが可能である。また、かかる構成では、熱応力が打ち消され、反りの発生を抑制する効果も得られる。
この対象構造の構成は、上記した各実施形態において適用することができる。
【００８０】
本発明においては、冷却フィンが既述の条件（1）〜（3）のいずれかを満たすように構成することにより、種々の設計要件（例えば、製造方法、金属材料、これらに伴なう製造コスト）に応じて、冷却フィン（熱伝導フィン）の径、形状、および配列などを任意に選択することができ、かつ従来の半導体モジュールに比して優れた冷却効率、耐圧性、および冷熱サイクルの信頼性を確保することが可能である。
【００８１】
上記のように、冷却フィンが既述の条件（1）〜（3）のいずれかを満たす構成とすることにより、良好な冷却性能が得られるので、他の設計要件として、例えばポンプ動力について技術的に上限がある場合やポンプのコストに制限がある場合は、ポンプ動力に関連する冷却水の流量および圧力損失等を任意に選択することができる。この場合の選択方法は次の指針による。
つまり、流通する冷却水の流量が同じ場合、熱伝導フィンの最大径ＤおよびフィンピッチＳがともに小さいときには圧力損失は大きくなる傾向にあり、逆に最大径ＤおよびフィンピッチＳがともに大きいときには圧力損失は小さくなる傾向にある。したがって、同じ動力性能（性能：揚程×吐出量またはモータ容量）のポンプを用いて流量制御する場合、冷却水の流量を少なくして設計する場合には、熱伝導フィンの最大径ＤおよびフィンピッチＳがともに小さくなるように、冷却水の流量を増やして設計する場合（冷却水温度が高かったり、用いる冷媒の温度が沸点に近い場合など）には、熱伝導フィンの最大径ＤおよびフィンピッチＳがともに大きなるように、最大径およびフィンピッチを各々選択するようにすることにより、同一動力で必要な冷却性能を得ることが可能である。このように選択することで、ポンプ効率が最大となる条件に冷却水の流量等の設計要件を設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】（ａ）は本発明の第１実施形態に係る半導体モジュールの構成を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）の本発明の第１実施形態に係る半導体モジュールを側面からみたときの側面図であり、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ´線断面図である。
【図２】（ａ）は本発明の第１実施形態に係る半導体モジュールを構成する円柱構造の冷却フィンを示す斜視図であり、（ｂ）は本発明の第３実施形態に係る半導体モジュールを構成する四角柱構造の冷却フィンを示す斜視図であり、（ｃ）は三角柱構造の熱伝導フィンの例を示す斜視図である。
【図３】冷却フィンを碁盤目状に配列した状態を説明するための図である。
【図４】三相インバータの回路の構成例を略説するための説明図である。
【図５】冷却フィンを千鳥状に配列した状態を説明するための図である。
【符号の説明】
【００８３】
１１…Ｃｕ電極板
１２…ＩＧＢＴ
１３…ダイオード
１４…グリーンシート（絶縁部材）
１６…冷却器
１７…冷却フィン
【図１】
2007324351.tif 000004
【図２】
2007324351.tif 000005
【図３】
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【図４】
2007324351.tif 000007
【図５】
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